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1 酵素をおおざっぱにまねる : ペプチド有機触媒 化学生命工学専攻公開講座 化学生命工学 未来へのへの挑戦 //0 工藤一秋 ( 東大生産研 ) ペプチドとは α-アミノ酸 ( 天然には0 種類存在 ) 分子からつ水分子がとれて化学結合 ( ペプチド結 合 ) ができる この結合を介してアミノ酸がいくつか連なったものがペプチドペプチド アミノ酸の数 が多いものはポリペプチドポリペプチドとよばれ, タンパク質はポリペプチドのひとつ CC CC C C CC - 水分子 α-アミノ酸 ペプチド結合 ( 中性 ) アミノ酸の数 可能なぺプチドの数 0 = ペプチドの分子構造 有機触媒 ( 有機分子触媒 ) とは 金属種を含まない触媒のこと 000 年ごろから爆発的に研究が進展 低環境負荷 反応生成物中への金属の残留がない 有機触媒 Ar P Ar Ph Me 金属錯体触媒 Ph Ph PPh Ru PPh F C S Al S CF C 有機化学の醍醐味とは? 分子レベルでものがつくれること

2 どんなもの? 医農薬 機能材料など, 価値のあるもの 何から? どうやって? 入手可能な有機化合物から化学反応によって合成する よい合成とは? お手本は? ほしい物だけが得られる合成 加熱や冷却などエネルギーをつぎ込まなくてもできる合成 有機溶媒を使わず水の中でもできる合成 酵素! 水中 体温程度の温度で必要な物だけを選択的につくる触媒 本体はタンパク質, つまり α- アミノ酸がペプチド結合でつながってできた生体高分子 ( ポリペプチド ) アミノ酸側鎖間の相互作用などに起因した特定の三次元構造

3 天然の α アミノ酸 酵素の部分構造 ( 二次構造 ) α ヘリックス β シート β- ターン 構造はアミノ酸の配列によって決まる 0 種 酵素分子はこれらを組み合わせて作られている 配線図? 代謝マップマップを部分拡大部分拡大するとすると いいえ これはこれは代謝代謝マップマップ

4 触媒の例 : エステルの加水分解反応 生命活動を維持するために, 生体内ではおびただしい数の有機化学反応が同時並行で進行 5000 種以上の酵素が, 触媒となってそれらの反応を進めている C C C C + 活性化剤 ( 触媒 ) なし 0.05 mol/l 塩酸 ( 酸 ) C C C + C 反応の速さ 日後も生成物確認できず半減期.5 時間 0.0 mol/l a 水溶液 ( アルカリ ) 半減期 0 秒 触媒とは?() 触媒とは?() ーギルネエ 反応原料 触媒存在時の活性化エネルギー 何もないときの活性化エネルギー 反応によって放出されるエネルギー 反応性生物 化学反応に関わるが, 反応終了後は元の姿に戻る 何度もはたらくことができるので, 反応物に対して少量あればよい 反応の進行 触媒は反応の進行に必要な活性化エネルギーを下げる 分子レベルのものづくりのツール

5 酵素 : 生体内にある触媒 酵素の本体はポリペプチドである C C リパーゼ ( 酵素 ) 0 mg 半減期 5 時間 C C + + 基質 ( 反応する分子 ) はこの程度の大きさ 酵素は特定の分子だけを反応させる ( 基質特異性 ) 例 : 糖の加水分解マルターゼ ( 酵素 ) による反応 : 酸触媒による反応 : 麦芽糖ショ糖 ( 砂糖 ) 乳糖 酵素は特定のものだけをつくりだす ( 選択性 ) 酵素による反応 : C C C ピルビン酸 人工の触媒による反応 : C C C C ピルビン酸メチル 乳酸デヒドロゲナーゼ ( 酵素 ) Ru-BIAP ( 触媒 ) C C C この点では, 人工触媒も高い水準まできている (00 年ノーベル化学賞 ) C 00 : 0 C C C C C 9 : 8 C C C C C 5

6 鏡像異性体 ( エナンチオマー ) 一方の鏡像異性体のみを入手することの有用性 炭素は正四面体の重心から各頂点に向かって 本の結合 炭素に結合するつが全て異なるとき, 丁度右手と左手の関係にある 通りの化合物が存在する そのような分子をキラルキラルな分子という カルボン左手型ヒメウイキョウ臭右手型スペアミント臭 A A 鏡面 AとA は別の化合物であり互いに鏡像異性体 (= 光学異性体, 鏡像体, エナンチオマー ) である 物質 Aと物質 A は, 融点, 沸点, 溶解度, 屈折率などほとんどの物性は同じ サリドマイド左手型催奇性あり右手型催奇性なし鎮痛剤 睡眠薬 鏡像異性体間では生体の応答が異なる このため, 薬などには鏡像異性体 のうちの一方のみを用いる必要がある 左手型 - 右手型 ee ( 鏡像異性体過剰率 ) = 00 (%) 左手型 + 右手型 ee 00% が理想 鏡像異性体の一方だけを得ることは難しい 不斉触媒のしくみ C C + C C 酵素や C C 人工触媒 キラルではないキラルだが C C + C C 光学活性体ではない. C C ee = 0% キラルではない光学活性体 ee = 80~00% A C C C B が A 側から近づいたときと,B 側からのときとで違うのものができる A と B のどちらから近づくかは全く同確率 結果として, 鏡像異性体の : の混合物ができる A C C C B 酵素や人工触媒は基質の一方の面を覆って, そちら側から反応がいかないようにしている そのような作用をする触媒を不斉触媒不斉触媒という 6

7 触媒の比較 酵素 酵素と人工の触媒の比較 () 水中 温和な条件基質特異性選択性触媒設計量産可能性入手方法 酵素 生物 人工触媒 化学合成 工業的重要度今後重要に ( グリーンケミストリー )? 重要重要重要 人工の触媒 基質 一旦基質と複合体を形成 ( 基質特異性の理由 ) 配位子 ( 有機分子 ) 金属 複合体形成なし ーギルネエ ーギルネエ 反応原料 反応の進行 ΔG U ΔG C 反応性生物 反応の進行 酵素と人工触媒人工触媒の長所長所を兼ね備えた触媒はないか? ペプチド触媒! ペプチド触媒開発触媒開発の つのアプローチ : ( その ) 酵素機能はタンパク質分子が特定の三次元構造をとっていることに基づいていることは明らか それに倣って, 分子の三次元構造を精緻に設計して,ES 複合体を経由する優れた触媒を目指す ( バイオミメティック 理学的 ) ( その ) 酵素の機能は優れた触媒能にある 微細な構造をまねする必要はなく, 酵素の構造の特徴を大雑把にとらえて, 機能の実現を目指す ES 複合体は経由してもしなくてもよい ( バイオインスパイアード 工学的 ) 7

8 例 : ブタ脾臓にある加水分解酵素 ( セリンプロテアーゼ ) アプローチその まずは酵素分子酵素分子の構造構造を知るところからるところから 例 : ブタ脾臓にある加水分解酵素 ( セリンプロテアーゼ ) 例 : ブタ脾臓にある加水分解酵素 空間的に適切な位置関係にある Ser/is/Asp の つのアミノ酸の側鎖が関与 8

9 例 : ブタ脾臓にある加水分解酵素 セリンプロテアーゼの触媒反応機構触媒反応機構は著作権の関係関係で削除削除しましたしました 以下のアドレスアドレスで見ることができますることができます 空間的に適切な位置関係にある Ser/is/Asp の つのアミノ酸側鎖の芸術的といえるほど精妙な共同作用による触媒機能 空間的に適切な位置関係にある Ser/is/Asp に似たものを作る これまでに多数の例 アプローチその α- ヘリックスペプチド 00 倍加速 シクロデキストリン 別の視点視点で酵素分子酵素分子の構造構造を見る 600 倍加速 00 倍程度加速 それぞれの構造は美しいが, これらの分子を作るのはとても大変 本家 の酵素が最高で約 00 万倍反応を加速することと比べると見劣りする 9

10 酵素の構造と機能の関係 天然の α アミノ酸 酵素の構造をおおざっぱに見てみると 球状球状タンパクタンパク質である 球の内部には疎水性のアミノ酸が多く, 外部には親水性のものが多い ( 両親媒性 ) 反応中心 ( 触媒作用を起こすこす部分 ) は疎水部分に隣接して存在 水中で反応ができるのはこのため ( 参考 ) 石ケン分子のつくるミセル 石ケン分子 親水 疎水 酵素をおおざっぱにまねる 水中で反応をすすめるには疎水的な部分が必要 しかし, 疎水的なアミノ酸でペプチドを作ると凝集して沈殿するため使えない 今回用いた樹脂 -C -C -PEG-Polystyrene(PS) ペプチドではない両親媒性の何かにペプチドを結合させて触媒とする 人工高分子 ここにペプチドをつなげる CC n ポリスチレン ( 疎水性 ) ペプチド --C -C -PEG-Polystyrene = 親水部分疎水部分 実際は直径 0. mm 程度のビーズ ポリエチレングリコール ( 親水性 ) C C n ペプチド合成, 触媒反応後の分離, 再利用が容易 樹脂上へのペプチド合成は 960 年代に確立されている 0

11 プロリン ( アミノ酸 ) が不斉触媒となって進むアルドール反応 (List らが 000 年に発表 ) 不斉アルドール反応と連続反応への展開 水の存在存在で eeが低下 有機溶媒中 プロリン C R プロリンの入ったったペプチドペプチドを触媒触媒に R プロリンとケトンからできたエナミンがアルデヒドと反応し, 生成物が加水分解を受けてプロリンが再生 ( アミンの触媒作用その ) R どんなペプチドがよいかー trial and error どんなペプチドがよいか ( その ) + 0 mol% Pro (AA) TF/ = /, 室温 + 0 vol% 0 mol% 触媒, 室温, 6 h entry AA - time (h) yield (%) ee (%) a Leu Phe Val Thr(t-Bu) Tyr(t-Bu) Trp Glu(t-Bu) Lys(Boc) 00 8 entry catalyst yield (%) Pro Pro-Phe Pro-(Phe) Pro-(Phe) Pro-(Phe) Pro-(Phe) 5 Pro-(Phe) ee (%) TF : テトラヒドロフラン ( 有機溶媒 ) 収率

12 どんなペプチドがよいか ( その ) 汎用性のチェック ( 酵素との違い ) vol% + 0 mol% 触媒 0 mol% ZnCl TF/ = /, 0 C, 6 h * + 0 mol% D-Pro Tyr Phe 0 mol% ZnCl vol% TF/ = /, 0 C X * X entry 触媒 yield (%) ee (%) 5 6 Pro-Glu( Et )-Phe Pro( Cl)-Glu-Phe Pro-Lys-Phe Pro-is-Phe Pro-Tyr-Phe D-Pro-(Phe) D-Pro-is-Phe D-Pro-Tyr-Phe entry X time (h) yield (%) ee (%) Cl Cl Me 0 - 反応後の触媒はろ過によって容易に回収可能 触媒は 5 回以上再利用可能 単一反応容器中でのでの二段階連続反応二段階連続反応へのへの応用 酸触媒反応 塩基触媒反応 ポリロイシン結合型ペプチド触媒 通常, 酸触媒と塩基触媒を混ぜると中和してしまってどちらも役に立たなくなる 不溶性の樹脂を用いることでそれを回避 触媒は混合物のままで回収して 5 回以上再利用可能

13 第一世代固定化ペプチドペプチド触媒触媒の問題点酵素 固定化ペプチド 酵素の分子構造 D-Pro Tyr Phe 安定な高次構造高次構造によりにより形成形成されたされた反応場 特定の立体配座立体配座をとりにくい 二次構造の積極的利用 主鎖全体部分構造 (α-ヘリックス) 部分構造 (β-ターン) 分子構造 機能 背景 : 有機触媒によるによる二重結合二重結合の水素化反応 C TFA C Et Et + CCl, -5 C C C 9% yield, 9% ee Macmillan (005) 含水溶媒中でのでのイミニウムイミニウム塩型活性化機構塩型活性化機構によるによる反応反応へ C Et Et (.5 eq) 0 mol% TFA catalyst solvent, rt, 5 h C C R R R - R R R R - R イミニウム塩中間体 C ( アミンの触媒作用その ) entry catalyst solvent conversion (%) ee (%) Proline TF/ = / n.d. Pro TF/ = / n.d. Pro (Leu) TF/ = / n.d. Pro (Leu) 5. TF/ = / 7 5 Pro (Leu) 5. TF/ = / 6 6 Pro (Phe) 0 TF/ = / n.d. 転化率 疎水性のポリロイシン鎖が含水溶媒中で有効な反応場を提供 n.d.: 測定せず

14 ペプチド配列の検討 ペプチド配列の検討 () C Et 0 mol% TFA peptide Et (.5 eq) (Leu) 5. * C C Et 0 mol% TFA peptide Et (.5 eq) TF/ = /, rt, h (Leu) 5 C Pro Phe Pro Tyr Pro Trp D-Pro Trp Pro D-Trp TF/ = /, rt, h entry peptide conversion (%) ee (%) 5 68 (R) 5 (R) 5 5 (R) 5 60 (S) 0 7 (R) entry peptide conversion (%) ee (%) Pro D-Pro Aib Pro D-Pro Aib Trp Pro D-Pro Aib Trp Trp Pro D-Pro Aib Trp Trp Trp Aib: - アミノイソ酪酸 ( 非天然アミノ酸 ) C C C R 反応基質の一般性一般性の検討 C Et Et (. eq) 0 mol% TFA Pro D-Pro Aib Trp C Trp TF/ = /, rt, 0-8 h C (Leu) 5. R C C 同じ触媒触媒が別の反応反応にもにも適用可能 炭素骨格形成 Ar C Me + Pro D-Pro Aib Trp Trp (Leu) 5. () TFA TF / = /, rt 85% yield, 88%ee Me Ar C Cl 75% yield, 90%ee C 7% yield, 95%ee Cl 7% yield, 9%ee 69% yield, 9%ee C Me 76% yield, 95%ee 5% yield, 96%ee C 酸化 C + Fe(II) salt, air TF / = /, rt 75% yield, 9%ee C

15 ポリロイシン鎖の役割役割は? C Et Pro D-Pro Aib (Trp) (Leu) 5. Pro D-Pro Aib (Trp) Et (.5 equiv) 0 mol% TFA catalyst 触媒 solvent, rt, h 溶媒 Pro D-Pro Aib (Trp) (Leu) 5. TF Pro D-Pro Aib (Trp) TF TF/ = / TF/ = / * C 転化率 (%) ee (%) (R) 86 (R) 9 (R) 6 (R) 立体選択性が見られる理由の推定 Pro D-Pro Aib Trp Trp ターン構造 Trp Leu Trp Aib D-Pro (Leu) 5. α- ヘリックス構造 反応相手が接近する方向 α- ヘリックス構造をもつポリロイシンが水中でペプチドの 次元分子構造を安定化 最近の進展 ( その) 樹脂固定化ペプチド触媒メリット. キラルなアミノ酸で構成されているので不斉触媒となりうる. 立体選択性のみでなく, 位置選択性, 化学選択性も期待できる. 触媒の構造最適化が比較的容易. 容易に回収でき再利用も可能 5. one-pot 多段階合成へ適用可能 ( その) R Pro-D-Pro-Ach-[Trp(5-Me)] (Leu) 6 C antzsch ester TFA peptide catalyst,-reduction,6-reduction R R,-reduction >90% 位置選択性 >97% ee R C C C 課題 6. 副反応の回避 7. ペプチドは環境へのインパクトが小さい 8. 有機溶媒の使用量を減らすことが可能. 有機溶媒 0というのはまだ難しい. 触媒としての使用量が比較的多い. 反応時間が長め. 選択性に改良の余地 5

16 6 化学合成化学合成生物由来入手方法重要 量産可能性重要 選択性重要 触媒設計? ペプチド触媒 低分子触媒重要でない 基質特異性重要 扱い易さ今後重要に ( グリーンケミストリー ) 水中 温和な条件工業的重要度酵素ペプチド触媒の位置付け未来への挑戦 ペプチド鎖が制御する触媒反応の拡張 位置選択的触媒のさらなる開発 つの反応容器中で複数のペプチド触媒による多段階反応を実現

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高価な金属錯体触媒の革新的再利用技術を確立~医薬品などの製造コストを低減~ 高価な金属錯体触媒の革新的再利用技術を確立 ~ 医薬品などの製造コストを低減 ~ 平成 2 6 年 2 月 2 7 日 科学技術振興機構 (JST) 株式会社豊田中央研究所 ポイント 医薬品や化成品の製造に使用する金属錯体触媒は反応液に溶解するため 回収 再利用が困難 金属錯体触媒の新しい固定担体の合成に成功し 簡単なろ過操作で触媒の回収 再利用が可能に 医薬品などの製造コスト低減や金属不純物の混入防止が期待

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領域代表者 : 金井求 ( 東京大学大学院薬学系研究科教授 ) 研究期間 :2017 年 7 月 ~2023 年 3 月上記研究課題では 独立した機能を持つ複数の触媒の働きを重奏的に活かしたハイブリッド触媒系を創製し 実現すれば大きなインパクトを持つものの従来は不可能であった 極めて効率の高い有機合

領域代表者 : 金井求 ( 東京大学大学院薬学系研究科教授 ) 研究期間 :2017 年 7 月 ~2023 年 3 月上記研究課題では 独立した機能を持つ複数の触媒の働きを重奏的に活かしたハイブリッド触媒系を創製し 実現すれば大きなインパクトを持つものの従来は不可能であった 極めて効率の高い有機合 触媒で分子をチューンアップ ~ 炭化水素の結合を組み換えて付加価値を高める不斉触媒 ~ 平成 31 年 1 月 11 日 1. 発表者 : 金井求 ( 東京大学大学院薬学系研究科教授 ) 畑中美穂 ( 奈良先端科学技術大学院大学研究推進機構研究推進部門特任准教授 ) 清水洋平 ( 北海道大学大学院理学研究院化学部門講師 ) 2. 発表のポイント : 安価で入手容易な炭化水素 ( 注 1) のもつ結合

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第11回配布用 07 年度有機化学 および演習第 回 (07.07.06) (06 年度以前入学者は有機化学序論 ) 担当山下誠居室 号館 0 階 03 号室 e-mail makoto@oec.chembio.nagoya-u.ac.jp 7/3( 木 ) 休講 7/5( 土 ) 限補講 @ 演習で解説してほしい問題は田浦先生 (taura@chembio.nagoya-u.ac.jp) と荒巻先生 (aramaki@chembio.nagoya-u.ac.jp)

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Microsoft Word - t30_西_修正__ doc 反応速度と化学平衡 金沢工業大学基礎教育部西誠 ねらい 化学反応とは分子を構成している原子が組み換り 新しい分子構造を持つことといえます この化学反応がどのように起こるのか どのような速さでどの程度の分子が組み換るのかは 反応の種類や 濃度 温度などの条件で決まってきます そして このような反応の進行方向や速度を正確に予測するために いろいろな数学 物理的な考え方を取り入れて化学反応の理論体系が作られています

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